新型功能化Tin+1CnTx/GO复合纳滤膜制备与性能研究

Our program is intended to provide deep insight and exploratory research into the design and synthesis of graphene oxide composite nanofiltration membranes for water purification which employ functionalized two-dimensional (2D) titanium carbide (Tin+1CnTx) nanosheets as major component. In order to obtain the functionalized Tin+1CnTx/GO composite nanofiltration membranes, bulk Tin+1CnTx are firstly achieved by etching different types of layered ceramics. Following a combination of sonification and steam reforming process, the obtained monolayer or few-layerd titanium carbide nanosheets were further modified with several functional molecules. On account of the aforementioned results, the prepared functionalized Tin+1CnTx nanosheets were used to adjust the interlayer spacing of graphene oxide sheets to fabricate the graphene oxide composite membranes with high permeability, antifouling ability, antibacterial activity and stability. The permeability of prepared graphene composite membranes are analyzed by measuring the filtration equipment under different conditions to demonstrate the role of GO and Tin+1CnTx nanosheets. The distribution of mass transfer resistance and relevant mass transfer coefficient during filtration process are also assessed from the separation experiments mentioned above. The corresponding mathematical models are created to analyze the mechanism of mass transfer.

本项目从石墨烯复合纳滤膜的设计合成角度出发，通过对新型二维纳米材料Tin+1CnTx的合成制备和功能化改性以及氧化石墨烯复合纳滤膜的设计合成及其性能等基础问题开展探索性科学研究。首先，采用不同类型的三元层状陶瓷，通过湿法刻蚀制备Tin+1CnTx块状材料，以机械超声和蒸汽剥离结合的方式制备单层或者几层的Tin+1CnTx纳米片，在合成过程中对Tin+1CnTx进行功能化改性，使其与氧化石墨烯具有更好的兼容性和结合力。然后采用溶液插层法将制备好的功能化Tin+1CnTx通过牢固的化学键和强的静电作用力与氧化石墨烯纳米片相结合，制备多种具有渗透性能高、抗污染及抑菌性能好、稳定性增强的氧化石墨烯复合纳滤膜。利用所制备的氧化石墨烯复合纳滤膜，用于多种溶质体系下进行分离测试，通过控制操作条件探索不同GO和Tin+1CnTx材料在分离过程中起到的作用，计算氧化石墨烯复合膜的传质阻力分布及相关传质系数，分析其分离机理，建立相应的数学模型。

由于石墨烯具有独特的物理化学性质，将石墨烯制备成高性能的分离膜目前已经成为国际研究热点。然而，合理设计具有可控结构的石墨烯膜的仍然是一个大的难题。本项目从石墨烯复合纳滤膜的设计合成角度出发，通过对新型二维纳米材料Tin+1CnTx的合成制备和功能化改性以及氧化石墨烯复合纳滤膜的设计合成及其性能等基础问题开展探索性科学研究。通过优化改进现有制备工艺，制备分散性好的GO纳米片，采用湿法刻蚀不同化学组成和原子排列的Tin+1CnTx块状材料，并对其进行功能化改性，以氧化石墨烯纳米片与功能化Tin+1CnTx作为构筑模块通过溶液插层法进行复合，将其抽滤在不同类型的基底上制备功能化Tin+1CnTx/GO复合纳滤膜，对复合膜进行性能评价和分离机理分析。研究发现通过将Tin+1CnTx功能化可使得GO和Tin+1CnTx纳米片之间产生强的相互作用，不仅能有效地抑制了传统GO制备中的自重堆积现象，而且两性离子功能化Tin+1CnTx的引入显著改善了复合膜表面官能团的分布，从而有效地解决了表面官能团分布不均匀和纳米通道扭曲的问题。这些良好的特性使得制备的复合膜具有高渗透性，良好的稳定性及抗污染性能。其中制备的双功能化Z-MXene/GO膜可以达到高的通量（115.5 L·m-2·h-1·bar-1），同时对小分子的截留率能达到99.1%，超过了文献报道的大多数GO基2D/2D层状膜和GO基超薄纳滤膜。该创新技术为新型二维膜的制备开发提供了新思路、新方法，在水处理、化学合成、化合物纯化、食品加工、药物输送等方面具有广泛的应用前景。